科学家发现WS与WSe莫尔超晶格中的光诱导铁磁性

　　在2022年4月20日发表于《自然》杂志上的一篇文章中，华盛顿大学与香港大学的科学家们发现，激光可在非磁性材料中触发某种形式的铁磁性。据悉，这种磁性主要体现在电子的行为上。而得益于亚原子粒子所具有的自旋特性，其在量子计算领域也具有潜在的应用前景。
　　（图自：XiWangUniversityofWashington）
　　研究人员发现，在被激光的光子照射时，超薄二硒化钨和二硫化钨材料中的电子会朝着相同的方向自旋。
　　论文资深合著者之一、来自华盛顿大学物理材料与工程系、兼波音特聘的许晓栋教授指出：在该系统中，我们基本上可使用光子来控制被困在半导体材料中的电荷的‘基态’特性比如磁性。
　　此外得益于如此精细度的水平控制与电子自旋对齐，该平台还有望在量子模拟领域发挥作用。
　　压电响应力显微镜拍摄的二硒化钨堆叠层的顶视图（来自：Nature）
　　作为该校清洁能源研究所与分子研究所的研究员，许晓栋补充道：这是为量子计算和其它应用开发某些类型的‘量子比特’而必要的控制水平。
　　香港大学物理学教授WangYao（论文资深合著者）、威斯康星大学物理材料科学与工程教授DiXiao（身兼PNNL职务）、以及该校分子工程材料中心主任兼化学教授DanielGamelin也参与了这项研究，其团队致力于为研究结果提供理论支撑。
　　研究配图1：WSWSe异质双层的莫尔填充依赖
　　研究团队选用了超薄的二硒化钨二硫化钨薄片，每层厚度仅相当于三个原子。电子以介于全导电金属和绝缘体之间的速度穿过实验材料，并在光子学和太阳能电池中具有潜在用途。
　　有趣的是，研究人员将两层叠成所谓的莫尔超晶格这是一种由重复单元组成的堆叠结构，且超晶格能够将激子保持在适当的位置，因而这种堆叠薄片可作为量子物理学和材料研究的强大平台。
　　研究配图2：在v13填充附近观察到的光致铁磁性
　　所谓激子特指成对受激的电子、以及与之相关的正电荷，科学家们可测量它们在不同超晶格配置中的性质与行为变化。在研究材料内激子特性时，他们惊奇地在正常非磁性材料内发现了关键的光诱导铁磁性。
　　激光提供的光子，会在激光束路径内激发激子，而这些激子在其它电子之间引发了一种长程相关性都朝着同一方向自旋！
　　研究配图3：稀空穴气中的光致铁磁性
　　许表示：这就像是超晶格中的激子开始了与空间分离电子的对话，然后电子通过激子建立了交互作用，从而形成了具有对其自旋特性的所谓有序状态。
　　据悉，作为铁等材料的固有磁性方式，我们无法在常规状态下的二硒化钨和二硫化钨上看到。然而莫尔超晶格中的每个重复单元，本质上都可视作一个捕获电子自旋的量子点。
　　研究配图4：使用光激发功率和填充因子调整磁态
　　能够相互交谈的被困电子自旋，奠定了一种量子比特的基础。作为量子计算机的基本单元，它可利用量子力学的独特特性开展计算。
　　此外在2021年11月25日发表于《科学》杂志的另一篇论文中，许与合著者也介绍过由超薄的（扭曲二维）三碘化铬形成的莫尔超晶格中的磁特性。
　　截图（来自：Science）
　　与二硒化钨和二硫化钨不同的是，三碘化铬是一种固有磁性材料（即使是单层原子片），而堆叠的碘化铬层又形成了交替的磁畴。
　　其中一面具有铁磁性（拥有相同方向的自旋排列），另一面则是反铁磁性的（超晶格相邻层之间指向相反、且基本互相抵消）。
　　截图（来自：Nature）
　　最后，许晓栋表示新研究还阐明了材料结构与其磁性之间的关系，或有助于推动计算、数据存储和其它领域的未来发展。
　　有关这项研究的详情，已经发表在2022年4月20日出版的《自然》期刊上，原标题为《Lightinducedferromagnetisminmoirsuperlattices》。